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Mikroskopische Metallbauteile: Korrekturen im kleinsten Bereich
Panorama 4 Min. 01.07.2020

Mikroskopische Metallbauteile: Korrekturen im kleinsten Bereich

Mikroskopische Metallbauteile: Korrekturen im kleinsten Bereich

Foto: Oliver Dietze
Panorama 4 Min. 01.07.2020

Mikroskopische Metallbauteile: Korrekturen im kleinsten Bereich

Sarah SCHÖTT
Sarah SCHÖTT
Forscher an der Universität des Saarlandes bearbeiten Metallteile aus dem 3D-Drucker mikrometergenau und nutzen dafür die Methode des elektrochemischen Abtragens.

Viele technische Konstruktionen, etwa an Fahrzeugen oder Maschinen, bestehen aus höchst speziellen Metallbauteilen. Diese können durch das selektive Laserschmelzen (SLM) mit einem 3D-Drucker hergestellt werden – allerdings müssen sie nachbearbeitet werden, um auf den Mikrometer genau zu passen und den teils hohen Belastungen, denen sie ausgesetzt sind, standzuhalten. Dirk Bähre vom Lehrstuhl für Fertigungstechnik der Universität des Saarlandes hat dazu mit seinem Team das Verfahren des Elektrochemischen Abtragens (ECM) weiterentwickelt.

Dirk Bähre, wieso forschen Sie gerade im Bereich der 3D-Fertigung? 

Ich bin durch die Arbeit am Lehrstuhl und meine berufliche Laufbahn dahingehend geprägt, dass wir für technischen Fortschritt sehr enge Toleranzen brauchen. Also eine sehr hohe Genauigkeit der Teile, die häufig im Bereich von mindestens hundertstel, manchmal sogar tausendstel Millimetern liegen. Die additive Fertigung von Metallbauteilen erreicht diese Genauigkeit normalerweise nicht. 

Die Feinbearbeitung ist Spezialität der Saarbrücker Fertigungstechniker um Professor Dirk Bähre (l., hier mit dem technischen Mitarbeiter Stefan Wilhelm aus seiner Forschungsgruppe).
Die Feinbearbeitung ist Spezialität der Saarbrücker Fertigungstechniker um Professor Dirk Bähre (l., hier mit dem technischen Mitarbeiter Stefan Wilhelm aus seiner Forschungsgruppe).
Foto: Oliver Dietze

Additive Fertigung heißt, dass etwas in Schichten aufgebaut ist ... 

Genau. Die Technik, die wir für den 3D-Metalldruck verwenden, ist das selektive Laserschmelzen (SLM). Damit werden Genauigkeiten erreicht, die zwar gut sind, aber eben nicht so präzise, wie man es für manche Anwendungen braucht. Deshalb bedarf es einer Nachbearbeitung, nicht vom gesamten Bauteil, aber von den Stellen, an denen man die Präzision braucht. Als flexibles Verfahren, das sich gut an verschiedene Konturen anpassen kann – auch an innenliegende Konturen, die man erreichen muss – eignet sich dazu das elektrochemische Abtragen. 

Wäre es nicht sinnvoller, den 3D-Drucker so weiterzuentwickeln, dass er präzise produziert? 

Auf jeden Fall muss man SLM weiterentwickeln und wird da sicher auch Fortschritte machen, davon bin ich überzeugt. Aber es gibt einfach Prinzipien, die einer Ultrapräzision entgegenstehen. Bei dem Verfahren wird etwas aufgeschmolzen und kühlt danach wieder ab. Dadurch gibt es Verzüge durch thermische Einflüsse. Damit kann man einfach nicht in diese tausendstel-Millimeter-Bereiche reingehen, das ist schlicht aus physikalischen Gründen nicht möglich. 

 Gab es bisher andere Methoden zur Nachbearbeitung? 

Neu ist ja bisher nicht die Nachbearbeitung, sondern die additive Fertigung. Die Notwendigkeit, dass man nachbearbeitet gibt es ja auch schon bei anderen Herstellprozessketten. Das ECM hat einen gewissen Neuheitsgrad. Auch wenn es nicht ganz neu ist, so ist es doch eine der moderneren Fertigungstechniken und deswegen anderen Verfahren in gewisser Hinsicht überlegen. Man kann aber natürlich auch über andere Verfahren nachdenken, das wird auch getan.

Ihr Verfahren ist nach Ihren Angaben günstig und auch für große Stückzahlen wirtschaftlich. Wieso? 

Das elektrochemische Abtragen hat den Vorteil, dass es vom Funktionsprinzip verschleißfrei ist. Das heißt, man produziert einmal das Werkzeug und kann damit quasi beliebig viele Bauteile abformen. In der Realität sind die Werkzeuge zwar nach einigen zehntausend Einsätzen auszutauschen, aber sie halten deutlich länger, auch in dieser Präzision, als etwa ein Bearbeitungswerkzeug. Deswegen ist das ECM bei komplizierten Konturen bei großen Stückzahlen wirtschaftlich sehr gut anwendbar. 

Der Vorteil des Verfahrens ist, dass man es auch bei sehr harten Werkstoffen anwenden kann.

Professor Dirk Bähre

 Wie genau funktioniert das Verfahren des elektrochemischen Abtragens? 

Dabei wird eine Spannung angelegt zwischen der Oberfläche des Werkstücks und einem Werkzeug, das sich in einem bestimmten Abstand zum Werkstück befindet. In diesem Spalt zwischen Werkzeug und Werkstück befindet sich ein Elektrolyt, der in der Lage ist, die metallische Oberfläche elektrochemisch aufzulösen, mit Unterstützung der Spannung. Dann werden im Prinzip einzelne Atome aus der Oberfläche des Werkstücks gelöst und als Ionen Richtung Werkzeug transportiert. Dabei werden sie aber durch chemische Reaktionen im Elektrolyten gebunden und aus dem Bearbeitungsspalt herausbefördert. 

Die Methode eignet sich also nur zum Abtragen … 

Das Prinzip des Elektrochemischen Abtragens kann man umgekehrt auch als elektrolytisches Auftragen anwenden. Das wird auch gemacht, Oberflächen werden elektrolytisch beschichtet. Aber unser Ansatz ist, bei der additiven Fertigung ein kleines Mehr an Material zu lassen, das kann man bewusst so einstellen, und dann diese Bearbeitungszugabe dazu nutzen, präzise abzutragen.

Funktioniert das Verfahren nur mit metallischen Stoffen? 

Es sind hauptsächlich metallische Werkstoffe, die man bearbeiten kann. Es gibt Grundlagenversuche, die es auch an anderen Materialien testen. Das ist grundsätzlich denkbar, aber der Hauptanwendungsbereich sind metallische Werkstoffe. Allerdings, und das ist der große Vorteil, unabhängig davon, wie hart sie sind. Also man kann auch sehr harte Werkstoffe, bei denen andere Verfahren nur schwer anwendbar sind, elektrochemisch auflösen. 

In welchen Bereichen werden die Teile, die Sie bearbeiten, eingesetzt? 

Komponenten für Antriebssysteme, also klassisch Verbrennungsmotoren oder Turbinen, aber auch Komponenten der Elektromobilität, der Medizintechnik, der Hydraulik und Pneumatik, also branchenübergreifend alle möglichen Teile, die sehr genau sein müssen. 


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Haben Sie für das Projekt auch Kooperationspartner im In- und Ausland? 

Ja, wir arbeiten vor allem interdisziplinär an der Universität mit dem Bereich Konstruktionstechnik und Leichtbau. Und die Hochschule für Technik und Wirtschaft in Saarbrücken ist auch eingebunden. Und es gibt einige Industriepartner, dabei gibt es auch Interessenten an der Technik aus der Luxemburger Unternehmenslandschaft. Wenn wir irgendwann in die Richtung gingen, ein öffentlich gefördertes europäisches Verbundprojekt zu generieren, hätten wir vermutlich auch Partner von dort, denn es gibt in Luxemburg einige Unternehmen, die technisch davon profitieren könnten. 

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